8.1.2. Гипотеза однородности
Предполагается, что вид линейной зависимости между напряжениями и скоростями деформаций одинаков для всех точек пространства.
8.1.3. Гипотеза изотропности
Вязкая жидкость предполагается изотропной, т.е. ее свойства в любом направлении одинаковы.
8.2 Уравнение движения вязкой жидкости. (уравнение Навье-Стокса)
18 марта 1822 года в докладе, представленном Французской академии наук, Клод Луи Навье писал о полученных им уравнениях: «Хотя уравнения основаны на гипотезе Ньютона о том, что касательные напряжения пропорциональны скорости деформации, никак нельзя сказать, что они не выражают ничего нового».
Уравнения движения вязкой жидкости можно получить из уравнений движения в напряжениях (2.16), выполнив некоторые преобразования. Рассмотрим лишь одну проекцию этих уравнений:
Как было показано при рассмотрении модели вязкой жидкости, нормальные напряжения
Для упрощения задачи будем
считать жидкость несжимаемой (
),
тогда
(8.6)
Касательное напряжение
(8.7)
аналогично
(8.8)
Суммируя (8.6), (8.7) и (8.8) и группируя члены, получаем:
Третий член можно записать в виде:
но жидкость несжимаема, и
.
Таким образом получаем:
(8.9)
Выражение в скобках есть ни
что иное, как оператор Лапласа -
,
а
.
Окончательно получаем:
(8.10)
Аналогично можно расписать и две другие проекции. Полученная система уравнений движения вязкой жидкости и носит название системы уравнений Навье-Стокса.
В векторной форме можно записать
(8.11)
Как следует из (8.11), это
уравнение отличается от уравнения
движения идеальной жидкости дополнительным
членом (
),
учитывающим действие сил вязкого трения.
Целью гидродинамического
расчета является нахождение полей
скоростей и давлений, т.е. в результате
расчета должны быть найдены четыре
величины:
,
,
иp.
Принципиально это оказывается возможным,
так как три уравнения Навье-Стокса (в
проекциях) плюс уравнение неразрывности
образуют замкнутую систему. Плотность
и вязкость, входящие в них, считаются
известными, а проекции массовых сил (X,
Y,
Z)
задаются условиями конкретной задачи.
С чисто математических позиций уравнения Навье-Стокса относится к классу нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных второго порядка. Одно из наиболее неприятных из их свойств нелинейность, обусловленная наличием конвективных членов ускорения. Следует отметить, что до настоящего времени вследствие практически непреодолимых математических трудностей не получено ни одного общего решения уравнений Навье-Стокса в их полном виде, т.е. при сохранении всех конвективных членов и всех членов, учитывающих вязкость. Известны лишь отдельные частные решения.
Одним из основных граничных условий при интегрировании является условие «прилипания», т.е. равенство нулю скорости жидкости на стенке.
9. Одномерные течения несжимаемой жидкости (основы гидравлики).
Одномерными называются течения, в которых основные параметры потока зависят лишь от одной координаты, направление которой совпадает с направлением вектора скорости. Использование одномерных течений позволяет достаточно просто решать многие важные прикладные задачи. Раздел механики жидкости, изучающий одномерные течения, называют гидравликой.
9.1 Расход потока и средняя скорость.
Для решения широкого круга прикладных инженерных задач плодотворной явилась введенная Эйлером так называемая струйная модель потока. Согласно этой модели поток представляется состоящим из бесконечного множества струек жидкости. При рассмотрении потока поперечные сечения в нем выбираются так, чтобы пересекающие их линии тока были нормальны к ним. В этом случае сечение потока называется «живым». Очевидно, что если линии тока параллельны, то живое сечение будет плоским.
Ранее, в разделе «Кинематика», было показано, что элементарный объемный расход несжимаемой жидкости может быть определен как
(9.1)
где u -скорость в сечении струйки, dA - площадь ее поперечного сечения.
В соответствии со струйной моделью расход потока
(9.2)
Рис. 9.1
),
где
- полярный угол.
В этой системе
(9.3)
Подставляя (9.3) в (9.2) получаем
(9.4)
Имея в виду, что
,
имеем
(9.5)
Запись
обозначает, что местные скорости в
сечении трубы изменяются по радиусу.
Другими словами,
описывает закон изменения скорости,
т.е. является математическим описанием
эпюры. Следовательно, для того, чтобы
вычислить расход по (9.5), необходимо
знать уравнение эпюры скорости, которое,
как правило, неизвестно. Поскольку
расход является важнейшим параметром,
знание которого требуется при проведении
любых гидравлических расчетов, необходимо
найти путь, позволяющий преодолеть
возникшее затруднение.
Рассмотрим, как решается эта
задача в механике жидкости. С чисто
математических позиций интеграл в
правой части выражает объем эпюры
скорости. Представим теперь, что при
неизменном расходе Q
в силу каких-то причин жидкость потеряла
вязкость. Это, очевидно, приведет к тому,
что эпюра начнет перестраиваться и, так
как исчезнут силы вязкого трения, то
все частицы жидкости будут двигаться
с какой-то одинаковой скоростью v
(см. рис. 9.1), а так как по условию расход
остается тем же, то объем новой эпюры
равен объему старой. При этом условии
,
и из (9.5) получаем
(9.6)
Скорость
,
введенная таким образом носит название
средней либо среднерасходной скорости.
Следовательно, формально средняя
скорость может быть определена как
фиктивная скорость, с которой должны
были бы двигаться все частицы жидкости
для того, чтобы расход был равен его
истинному значению.
С физической точки зрения использование понятия средней скорости, одинаковой для всех частиц жидкости в сечении, позволяет свести задачу о движении жидкости в трубах и каналах к одномерной.